Perforación de un tubo con láser de CO2.
El láser genera un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente. El primer láser fue el rubí en 1960, construido por Teodoro Maiman. El láser consta de 3 elementos básicos: Una cavidad óptica resonante formada por dos espejos, uno es de alta reflectancia, y el otro conocido como acoplador, que permite la salida del rayo láser. Dentro de esta cavidad hay un medio ópticamente activo, que puede ser sólido, líquido o gaseoso, que amplifica la luz, produce la emisión estimulada de radiación.
Para esta amplificación se necesita un aporte de energía, que llamamos bombeo. El bombeo puede ser por descarga óptica o eléctrica. El medio activo absorbe la energía de la bomba y aumenta el nivel de energía de una parte de los electrones a un estado cuántico excitado. Las partículas reaccionan con la luz emitiendo fotones estimulados.
El medio activo determina la longitud de onda del láser y la emisión continua o pulsada. Solemos decir que el láser emite en una sola onda pero podemos modificarlo dentro de unos límites.
Se llama luz coherente cuando dos puntos de una onda mantienen una relación de fase constante, conociendo el valor instantáneo del campo eléctrico en uno de los puntos, es posible predecir el del otro. El láser de emisión continua (CO2) produce evaporación, combustión o disociación química de materiales.
El láser visible tiene una longitud de onda entre 400 y 700 nm. Pero el corte por láser, la perforación de orificios y la soldadura normalmente funcionan en infrarrojos. El más conocido y más utilizado es el CO2, una onda continua, no pulsada. En nuestro caso lo mejor para afilar herramientas. Requiere una fuente de alimentación y un sistema de refrigeración.
El primer láser de corte apareció en 1965 para perforar agujeros en diamantes (Western Electric), y en 1970 se creó el láser de gas para cortar titanio para la industria aeronáutica.
Láser de CO2
Fue desarrollado por Kumar Patel de Bell Laboratories en 1964 y resiste la competencia de otros láseres infrarrojos hasta el día de hoy. Consiste en un tubo de vidrio por el que circula una mezcla de gases, con electrodos en cada extremo, que producen una descarga de alto voltaje. Es muy efectivo si observamos la relación entre la potencia de bombeo (potencia de excitación) y la potencia de salida: 20%. Su longitud de onda varía de 9,4 a 10,6 micrones.
El medio amplificador es CO2 y gas nitrógeno en el que se produce una descarga eléctrica. La proporción de nitrógeno es del 10-20%, con pequeños porcentajes de hidrógeno, helio y xenón.
En su funcionamiento se produce la inversión de la población, estado de un grupo de átomos y moléculas del medio activo, en el que los miembros en estado excitado son más numerosos que los miembros de menor energía. El concepto es fundamental en la ciencia del láser, necesario para el funcionamiento de un láser común.
La colisión de un electrón induce un estado vibratorio excitado en gas nitrógeno. Al tratarse de una molécula homonuclear, no pierde su energía por la emisión de un fotón, por lo que sus niveles de excitación vibratoria tienen una vida útil prolongada. La transferencia de energía de colisión entre nitrógeno y CO2 induce una excitación de CO2, que impulsa la inversión de la población.
El gas permanece en estado excitado y el retorno a su estado fundamental se realiza mediante colisiones con helio frío. Como el láser de CO2 emite en el infrarrojo, sus espejos son del tipo multicapa, hechos de silicio, molibdeno y oro. Las ventanas y las lentes están hechas de germanio o seleniuro de zinc. Se pueden encontrar ventanas y espejos de diamante, con buena conductividad térmica, necesaria para alta potencia.
En el láser de CO2 tiene un espejo 100% transparencia, enfriado por agua, y un espejo semitransparente recubierto con seleniuro de zinc. La potencia del láser de CO2 varía desde varios milivatios hasta cientos de kW, e incluso hasta 1 GW. Y corte hojas de hasta 50 mm. En la industria, la aplicación más importante es el corte y la soldadura. El corte por vaporización se produce porque el láser calienta la superficie hasta el punto de ebullición y crea un agujero que aumenta de diámetro. La soldadura requiere una potencia láser de al menos 1,7 kW. Cuanto mayor sea la potencia, mayor será la capacidad de penetrar el material.
Para moler una herramienta o un disco de corte, se recubre con nanopolvos, que el láser de CO2 derrite sobre el sustrato. A continuación, se añaden capas sucesivas para dar forma óptima a la herramienta. Se evita el oxígeno atmosférico.
La longitud de onda infrarroja es muy absorbida por el agua, por lo que el CO2 se utiliza en la cirugía con láser.
La ranura es el ancho del material eliminado. En el láser de CO2 la ranura varía entre 0,15 y 0,5 mm dependiendo del grosor de la hoja. Aunque la ranura es muy pequeña, es más ancha en la parte superior del corte. Con el láser de CO2 se consiguen bordes afilados sin deshilacharse.
El láser de CO2 ofrece un corte prácticamente sin rebabas hasta un cierto grosor. El mecanizado con CO2 permite trabajar piezas pequeñas, herramientas que permiten esquinas afiladas y pequeños agujeros, formas geométricas complejas, que no se pueden obtener mediante procesos convencionales. Permite la creación de caries. La principal desventaja del corte por láser es el alto consumo de energía, una eficiencia del 20%.
Cuchilla de turbina recubierta de nanopolvo endurecido con láser de CO2.
También hay corte por plasma. El plasma es el estado en el que se encuentran las estrellas debido a su alta temperatura, y en la industria, el corte requiere elevar la temperatura del material hasta 20.000 ° C.Dado que la atmósfera de la Tierra es transparente en infrarrojos, el láser de CO2 se utiliza para telemetría militar. propósitos.
El ejército tiene láseres para destruir proyectiles, misiles y morteros en vuelo, que hacen que el material se derrita, el láser Nautilus de alta energía. En la industria, las máquinas de corte por láser no están sujetas a desgaste. Por supuesto, los láseres se utilizan ampliamente para grabar vidrio y espejos.
Hay otros trabajos en la industria que no se resuelven fundiendo el material, por ejemplo: perforación de un túnel, afilado de herramientas y discos de corte de la tuneladora, con un consumo energético inaceptable.
Soldadura de una hoja de aluminio de 2,5 mm a una velocidad de 6 m / min con láser de CO2.
Para los discos más antiguos, el láser no existía. Recordemos el disco de corte reforzado con fibra de vidrio de 36 mm. El desgaste requiere un reemplazo frecuente del disco. El problema se resolvió con un corte de diamante, una capa de polvo de diamante en los bordes del disco.
El diamante sintético se logró en calidad de gema en tamaños grandes y una variedad de coloraciones. Los diamantes amarillos y marrones son más baratos. En 1964 General Electric obtuvo el primer diamante sintético utilizando el método de cristalización de carbono a altas presiones (50-60 kbar) y temperaturas (1.300-1.600 ° C), que son las condiciones para la formación de diamantes en el manto terrestre a profundidades de aproximadamente 200 km. Así es como se lograron los diamantes de baja calidad para abrasivos para la industria.
Hacia 1970 se consiguió el primer diamante de hasta 1 quilate de peso. Se logró un método para el diamante sintético sin necesidad de altas presiones y temperaturas, fue la deposición química de vapor (CVD). El gas metano se utiliza como fuente de carbono, que se mezcla con hidrógeno y es ionizado por plasma. Los iones de carbono se depositan en una superficie creando una capa muy fina de diamante. Se logró la creación de nanodiamantes y la deposición de estas capas tiene muchas aplicaciones. En 2005 apareció la primera empresa que comercializó el producto. En España, el Instituto Gemológico Español estudia estos nanocristales de carbono, DQV. El láser funde el nanodiamante sobre el sustrato metálico, una aleación de aluminio especial. Y se ha alcanzado el límite en las tecnologías de afilado y electroerosión. Estos límites se pueden superar para producir contornos de herramientas, formación de cavidades 3D o rompevirutas.
El láser de CO2 corta una hoja de titanio. A la izquierda, un tubo suministra nitrógeno.
Para el sector de la automoción tenemos el NanoShield, un recubrimiento de nanopolvo de vidrio con partículas muy duras que recubren la carrocería. Repelen fuertemente el agua y la humedad y evitan que se depositen sobre el metal. El recubrimiento dura un año. El vidrio es como un líquido sobreenfriado, con una viscosidad muy alta, lo que impide el desarrollo de la estructura cristalina. El vidrio es una mezcla de silicatos que se prepara fundiendo y enfriando posteriormente mezclas que incluyen óxidos de sílice, calcio, sodio y boro.
En las zonas urbanas, el túnel sustituye al puente. El túnel más conocido es quizás el Canal de la Mancha que conecta Francia con Inglaterra. La tuneladora tiene un cabezal cilíndrico, con diámetros de hasta 10 m, una placa circular giratoria con decenas de discos de corte, 50 o más, la corona, que pulverizan la piedra. El desgaste del disco es tan rápido, que obliga a reemplazar el disco con frecuencia, cada varios días dependiendo del tipo de roca. Mantenimiento costoso y lento de una máquina de más de 100 toneladas. El disco recubierto de nanopolvo permite una mayor velocidad de la tuneladora.
Es importante prolongar la vida útil del disco de corte con un recubrimiento lo más duro posible. Tengamos en cuenta que el disco durante su rotación contra la roca experimenta una combinación de tensiones y compresiones. Pero gracias al láser y su economía y los nanopolvos en el disco, hemos extendido la vida del disco hasta en un 20%.
No es lo mismo que el nanopolvo sea amorfo o cristalino, que fusionará el láser con el sustrato del disco y formará un enlace metalúrgico. El SAM, Programa de Materiales Estructuralmente Amorfos, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, EE. UU., Es un éxito. Si utilizamos nanocristales, como polvo de recubrimiento, en la aleación cristalina los átomos forman una red cristalina tridimensional, que permite que la red se ensanche o comprima, el metal se deforma. Por el contrario, en la estructura amorfa del material, por ejemplo: una aleación de hierro amorfa, tiene la estructura atómica desordenada del vidrio, es más duro y resistente al desgaste.
SAM ha desarrollado esta aleación amorfa, excelente para tuneladoras, por sus características de dureza, ductilidad y resistencia al desgaste. La atomización de gas se utiliza para producir la aleación y es parte del recubrimiento NanoShield. A esta técnica de afilado de herramientas la llamamos 'fabricación aditiva', en lugar de retirar material para darle a la herramienta la forma que queremos con el sistema convencional. Con el nanopolvo SAM y el láser solucionamos el problema. La adición de un polímero mantiene el poste Sam en el disco de corte, mientras que el láser derrite el recubrimiento. Pero podemos prescindir del polímero, si depositamos el polvo de Sam con gas argón y el polvo se solidifica en el borde del disco.
El polvo se aplica al disco de corte en tiras, no de forma continua, y permite la distorsión o deformación del sustrato metálico. Equivale a las juntas de dilatación en cemento, que se adapta a las tensiones térmicas. Para proteger el disco contra el desgaste, basta con que el espesor del recubrimiento sea de 0,1 a 0,7 mm. Este recubrimiento puede tener una dureza superior a la del acero, hasta 7 veces, sin afectar la elasticidad del sustrato. Colorado School of Mines, EE. UU. Ha experimentado con un recubrimiento de este tipo para cortar granito (complejo de cuarzo, feldespato y mica), simulando las condiciones de corte de la roca. Después de 100 cortes, no se ha apreciado ningún deterioro.
El recubrimiento de nanopolvo por láser y SAM requiere una pequeña máquina para el afilado de herramientas.
El láser Nd: YAG de 1992 ya compite con el láser de CO2 en la perforación de chapa de acero.
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